NO315209B1

NO315209B1 - Dynamic damper for use in a drill string

Info

Publication number: NO315209B1
Application number: NO20015057A
Authority: NO
Inventors: Per Olav Haughom; Nils Reimers
Original assignee: Per Olav Haughom
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-07-28
Also published as: NO20015057D0; NO20015057L

Description

DYNAMISK DEMPER TIL BRUK I EN BORESTRENG DYNAMIC DAMPER FOR USE IN A DRILLING STRING

Denne oppfinnelse vedrører en anordning ved en dynamisk demper til bruk i en borestreng, spesielt innrettet til bruk ved boring etter hydrokarboner i sedimentbergarter. This invention relates to a device for a dynamic damper for use in a drill string, especially designed for use when drilling for hydrocarbons in sedimentary rocks.

Dynamiske dempere av kjente utførelser anvendes i stor utstrekning for å dempe svingninger som oppstår i maskinkonstruksjoner som utsettes for vekslende påkjenninger. Dynamic dampers of known designs are used to a large extent to dampen oscillations that occur in machine structures that are exposed to alternating stresses.

I en borestreng med lengde på flere tusen meter, vil det kunne oppstå svingninger på grunn av variasjon i torsjonsmomentet langs borestrengen. In a drill string with a length of several thousand metres, oscillations may occur due to variation in the torsional moment along the drill string.

Variasjon i torsjonsmoment kan oppstå på grunn av ulike friksjonsforhold langs strengen og boring gjennom formasjoner med forskjellige hardhet når momentet på borekrona varierer. Slike ukontrollerbare variasjoner i torsjonsmoment genererer igjen svingninger som påfører borestrengen store krefter og vibrasjoner, spesielt når svingningene kommer i resonans med egensvingninger i borestrengen. Variation in torque can occur due to different friction conditions along the string and drilling through formations with different hardness when the torque on the drill bit varies. Such uncontrollable variations in torque in turn generate oscillations which impose large forces and vibrations on the drill string, especially when the oscillations come into resonance with natural oscillations in the drill string.

Bruk av mer moderne og kraftigere rotasjonsmaskiner de siste årene har ført til at borestrengen nå utsettes for betydelig større påkjenninger med derav økt risiko for skader som følge av ukontrollerte svingninger og vibrasjoner. The use of more modern and more powerful rotary machines in recent years has meant that the drill string is now exposed to significantly greater stresses, with the resulting increased risk of damage as a result of uncontrolled oscillations and vibrations.

Et spesielt problem oppstår når borekrona treffer en formasjon som er vanskelig å penetrere og biter seg fast. Borestrengen tørnes av torsjonsmoment fra boremaskinen på overflaten og strengen akkumulerer energi som frigis når borekrona plutselig bryter løs. All lagret energi frigis gjennom ukontrollert rotasjon og nedre del av borestrengen kan i slike situasjoner komme opp i ekstrem omdreiningshastighet med fare for skader på boreutstyret. Dagens styrbare boresystemer har mye elektromekanisk utstyr som er spesielt utsatt for skade ved påvirkning fra slike belastninger. A particular problem arises when the drill bit hits a formation that is difficult to penetrate and gets stuck. The drill string is twisted by torsional torque from the drilling machine on the surface and the string accumulates energy that is released when the drill bit suddenly breaks loose. All stored energy is released through uncontrolled rotation and the lower part of the drill string can in such situations reach extreme rotational speed with the risk of damage to the drilling equipment. Today's controllable drilling systems have a lot of electromechanical equipment that is particularly susceptible to damage when affected by such loads.

Det foreligger flere teknikker som beskjeftiger seg med problemstillinger knyttet til demping av vibrasjoner i en borestreng. Disse kan i prinsippet deles inn i følgende to hovedkategorier: 1. Sette inn en anordning i borestrengen som tilstreber konstant aksialkraft på borekrona for derigjennom å redusere variasjoner i torsjonsmomentet. 2. Sette inn en anordning i borestrengen som tilstreber å trekke borekrona aksialt av bunnen når torsjonsmomentet overstiger en på forhånd bestemt verdi. There are several techniques that deal with issues related to dampening vibrations in a drill string. In principle, these can be divided into the following two main categories: 1. Inserting a device in the drill string that strives for constant axial force on the drill bit in order to thereby reduce variations in the torsional moment. 2. Inserting a device in the drill string which tends to pull the drill bit axially off the bottom when the torque exceeds a predetermined value.

I foreliggende oppfinnelse er det pkt.2 som er hovedhensikten med oppfinnelsen . Dagens kjente teknikker fokuseres på løsninger etter pkt. 1. In the present invention, point 2 is the main purpose of the invention. Today's known techniques are focused on solutions according to point 1.

Utviklingen i boreindustrien har gjennom de siste årene ført inn en ny type borekroner med faste kuttere som skjærer formasjonen til forskjell fra tidligere teknologi som baserte seg på rulleborekroner med knaster som knuste formasjonen. Developments in the drilling industry in recent years have introduced a new type of drill bits with fixed cutters that cut the formation in contrast to previous technology that was based on roller drill bits with lugs that crushed the formation.

De nye borekronene utnytter ofte all tilgjengelig torsjonsmoment og borekronen balanserer derfor hele tiden på grensen til å kjøre seg fast. En innretning som forsøker å holde borekrona mot bunnen vil derfor virke mot sin hensikt. The new drill bits often utilize all available torque and the drill bit therefore constantly balances on the verge of getting stuck. A device that tries to hold the drill bit against the bottom will therefore work against its purpose.

Slike løsninger var derimot anvendelige på tidligere teknologi med rulleborekroner som er avhengig av maksimal kontakt for å knuse formasjonen med harde knaster på rullene. Such solutions, on the other hand, were applicable to previous technology with roller drill bits that depend on maximum contact to crush the formation with hard knobs on the rollers.

Med foreliggende oppfinnelse har en kommet frem til en løsning som gjør det mulig å forhåndsinnstille et torsjonsmoment like i underkant av det maksimale borestrengen kan tolerere, og slik at når anordningen aktiveres ved gitt torsjonsmoment, løftes borekrona aksialt opp fra bunnen av borehullet og avbryter derved akkumulering av torsjon i borestrengen. With the present invention, a solution has been arrived at that makes it possible to pre-set a torque just below the maximum the drill string can tolerate, and so that when the device is activated at a given torque, the drill bit is lifted axially up from the bottom of the borehole and thereby interrupts accumulation of torsion in the drill string.

I oljeindustrien er problemer knyttet til torsjon og overbelastning av borestreng godt kjent og det har vært arbeidet kontinuerlig med forskjellige tekniske løsninger for å avhjelpe problemene. Det vises i denne forbindelse til følgende patenter: GB 2 220 964 In the oil industry, problems related to torsion and overloading of the drill string are well known and work has been ongoing on various technical solutions to remedy the problems. Reference is made in this connection to the following patents: GB 2 220 964

US 5,083,623 US 5,083,623

US 4,281,726 US 4,281,726

EP 065 601 Al EP 065 601 Al

US 4,443,206 US 4,443,206

WO 97/01693 WO 97/01693

Patent GB 2 220 964 beskriver en innretning som har til hensikt å opprettholde trykk Patent GB 2 220 964 describes a device intended to maintain pressure

mot borekrona. Et gjennomsnittlig trykk opprettholdes ved hjelp av en utskiftbar dyse 28, montert på toppen av en indre body 18. I tillegg transformeres torsjonsmomentet fra borestrengen 12 til trykk mot borekrona. En ytre casing 16 er forbundet med en indre body 18 gjennom spiralfortanninger 52,54 på en slik måte at økende torsjonsmomentet i borestrengen 12 bevirker økt aksialkraft mot borekrona. against the drill bit. An average pressure is maintained by means of a replaceable nozzle 28, mounted on top of an inner body 18. In addition, the torque from the drill string 12 is transformed into pressure against the drill bit. An outer casing 16 is connected to an inner body 18 through spiral teeth 52,54 in such a way that increasing the torsional moment in the drill string 12 causes increased axial force against the drill bit.

For å underbygge dette refereres følgende fra sammendraget i GB patent 2 220 964 : " Rotation torque is iransfered from the drill string and outer casing to the inner assembly and drill bit by sets of mating helical splines on inner and outer members 52, 54. To substantiate this, the following is referenced from the summary in GB patent 2 220 964: "Rotation torque is transferred from the drill string and outer casing to the inner assembly and drill bit by sets of mating helical splines on inner and outer members 52, 54.

The mean weight on bit is controlled trough an interchangable pressure control nozzle 28 mounted at the top of the inner assembly" The mean weight on bit is controlled trough an interchangeable pressure control nozzle 28 mounted at the top of the inner assembly"

Med bakgrunn i ovenstående trekkes den klare konklusjon at innretningen beskrevet i patentsøknad GB 2 220 964 er i overenstemmelse med tidligere refererte prinsippløsning pkt. 1. Based on the above, the clear conclusion is drawn that the device described in patent application GB 2 220 964 is in accordance with the previously referred principle solution point 1.

Foreliggende oppfinnelse er basert på tekniske løsninger etter hovedprinsipp pkt 2. The present invention is based on technical solutions according to main principle point 2.

og innrettet for å løfte borekrona opp fra bunnen når torsjonsmomentet overskrider en fastsatt verdi. Spiralgj engene 10 er skåret med motsatt stigning i forhold til splines vist i GB patent 2 220 964. Det foreligger derfor to helt prinsipielt forskjellige løsninger. and arranged to lift the drill bit up from the bottom when the torque exceeds a set value. The spiral threads 10 are cut with the opposite pitch compared to the splines shown in GB patent 2 220 964. There are therefore two fundamentally different solutions.

US patent 5,083 623 beskriver en innretning for å absorbere sjokkbelastninger aksialt i en borestreng. Sjokkabsorberingen skjer gjennom bruk av stålfjærer og hydraulisk demping. Anordningen er ikke innrettet for å overføre torsjonsmoment til aksial bevegelse. Følgelig anses denne patenten å ha liten relevans i forhold til foreliggende oppfinnelse. US patent 5,083,623 describes a device for absorbing shock loads axially in a drill string. The shock absorption takes place through the use of steel springs and hydraulic damping. The device is not designed to transfer torque to axial movement. Consequently, this patent is considered to have little relevance in relation to the present invention.

US patent 4,281,726 er også innrettet for aksial demping og har derfor liten relevans til foreliggende oppfinnelse. US patent 4,281,726 is also designed for axial damping and therefore has little relevance to the present invention.

Patent WO 97/01693 beskriver en hydraulisk truster for å generere aksial kraft til en borekrone i enden av en borestreng. Patenten beskriver løsninger basert på prinsipper etter tidligere beskrevne hovedprinsipper pkt. 1. og har derfor liten relevans til foreliggende oppfinnelse. Patent WO 97/01693 describes a hydraulic truster for generating axial force to a drill bit at the end of a drill string. The patent describes solutions based on principles according to previously described main principles point 1. and therefore has little relevance to the present invention.

Det samme gjelder for US patent 4,443,206 og EP 065 601 som begge er basert på løsninger etter tidligere beskrevne hovedprinsipper pkt. 1. The same applies to US patent 4,443,206 and EP 065 601, both of which are based on solutions according to previously described main principles point 1.

I forhold til kjente teknikker er hensikten med oppfinnelsen å frembringe en løsning som reduserer faren for at borekronen biter seg fast, og at lagret energioppbygging gjennom torsjon i borestrengen frigis som ukontrollert rotasjon. In relation to known techniques, the purpose of the invention is to produce a solution that reduces the risk of the drill bit biting, and that stored energy build-up through torsion in the drill string is released as uncontrolled rotation.

Dette oppnås i henhold til oppfinnelsen ved at det i borestrengen, ovenfor måleutstyret som benyttes til retningskontroll, monteres inn en dynamisk demper. This is achieved according to the invention by installing a dynamic damper in the drill string, above the measuring equipment used for direction control.

Denne demperen består av en indre sylindrisk strengdel med gjenger som forbinder denne This damper consists of an inner cylindrical string part with threads that connect it

til borestrengens øvre del som igjen er forbundet med rotasjonsmaskinen på overflaten. to the upper part of the drill string which is again connected to the rotary machine on the surface.

En ytre sylindrisk strengdel er konsentrisk opplagret i den indre strengdelen An outer cylindrical string part is concentrically supported in the inner string part

og forbundet til nedre del av borestrengen mot borekronen med en gjengeforbindelse. and connected to the lower part of the drill string against the drill bit with a threaded connection.

Ytre- og indre strengdel står i inngrep med hverandre gjennom en spiralformet trapesgjengeforbindelse, slik at en relativ rotasjon mellom strengdelene vil bevirke en relativ aksialbevegelse mellom de to delene. En fjær er anbrakt konsentrisk mellom ytre- og indre strengdel og forspent, slik at aksialbevegelse mellom ytre og indre strengdel bare finner sted når aksialkraft og moment, eller en kombinasjon av disse, overstiger en på forhånd bestemt verdi. Utenpå ytre strengdel er anbrakt en sylindrisk mantel forbundet med indre strengdel gjennom en gjengeforbindelse, slik at mantelen beskytter ytre-og indre strengdel samtidig som den danner begrensning for aksialbevegelse mellom ytre-og indre strengdel. The outer and inner string parts engage with each other through a helical trapezoidal thread connection, so that a relative rotation between the string parts will cause a relative axial movement between the two parts. A spring is placed concentrically between the outer and inner string part and prestressed, so that axial movement between the outer and inner string part only takes place when the axial force and torque, or a combination of these, exceeds a predetermined value. On the outside of the outer string part, a cylindrical mantle connected to the inner string part through a threaded connection is placed, so that the mantle protects the outer and inner string part at the same time as it forms a restriction for axial movement between the outer and inner string part.

Mellom ytre- og indre strengdel er to volum fylt med olje og forbundet slik at en aksialbevegelse vil bevirke tvangsflytting av væske fra et volum til neste gjennom trange kanaler. Dette gir en tilsiktet dynamisk dempeeffekt på bevegelsen. Between the outer and inner string parts, two volumes are filled with oil and connected so that an axial movement will cause forced movement of liquid from one volume to the next through narrow channels. This provides an intentional dynamic dampening effect on the movement.

Når den foreliggende oppfinnelse monteres inn i en borestreng vil et torsjonsmoment som følge av begynnende fastboring av borekronen bevirke en relativ rotasjon mellom ytre - og indre strengdel når moment kommer over en valgt fjærspenning. Dette vil bevirke en aksialbevegelse som løfter og frigjør borekronen fra bunnen. Når borekronen løsner reduseres momentet og fjæren skyver igjen borekronen fremover mot bunnen av borehullet, derved genereres momentmotstand som hindrer opplagret torsjonsmoment i borestrengen å "spinne" ut ukontrollert. When the present invention is fitted into a drill string, a torsional moment as a result of the starting drilling of the drill bit will cause a relative rotation between the outer and inner string part when the torque exceeds a selected spring tension. This will cause an axial movement that lifts and releases the drill bit from the bottom. When the drill bit loosens, the torque is reduced and the spring again pushes the drill bit forward towards the bottom of the drill hole, thereby generating torque resistance that prevents stored torsional torque in the drill string from "spinning" out uncontrollably.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere i tilknytning til beskrivelse av et utførelseseksempel og med henvisning til vedlagte tegninger, hvor: The invention will now be explained in more detail in connection with the description of an embodiment and with reference to the attached drawings, where:

Fig. 1 viser systemoversikt med dynamisk demper innmontert i borestreng Fig. 1 shows a system overview with a dynamic damper installed in the drill string

Fig. 2 viser snitt gjennom ytre strengdel Fig. 2 shows a section through the outer strand part

Fig. 3 viser snitt gjennom ytre- og indre strengdel Fig. 3 shows a section through the outer and inner strand part

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en borestreng av kjent utførelse hvortil den dynamiske demperen er montert og angitt med henvisningstallet 2.1 forlengelse av demperen, mot borekronen, er instrumentdelen for retningsstyring 3 montert, og i forlengelsen av denne styrelabber og borekrone 4 og 5. In the drawings, the reference number 1 denotes a drill string of known design to which the dynamic damper is mounted and indicated by the reference number 2.1 extension of the damper, towards the drill bit, the instrument part for directional control 3 is mounted, and in the extension of this guide pawls and drill bits 4 and 5.

Torsjonsmoment og aksialkrafl som overføres til demperen er angitt med henvisningstall Torsional torque and axial force that are transmitted to the damper are indicated by reference numbers

8 og 9. Endestykket 6 festet med gjengeforbindelse til borestrengen, overfører kreftene til indre strengdel 12. 8 and 9. The end piece 6, attached with a threaded connection to the drill string, transfers the forces to the inner string part 12.

Gjennom spiralgjenger 10 er indre - og ytre strengdel i inngrep med hverandre, slik at en relativ vridning mellom disse delene vil medføre relativ aksialbevegelse mellom delene. Through spiral threads 10, the inner and outer string parts engage with each other, so that a relative twist between these parts will cause relative axial movement between the parts.

En torsjonsfjær 9 har anslag mot endestykket 6 på indre strengdel 12 og mot ytre strengdel 11. Fjæren skyver ytre strengdel 11 til anslag mot ansatsen 22 på ytre mantel 21. A torsion spring 9 abuts against the end piece 6 on the inner string part 12 and against the outer string part 11. The spring pushes the outer string part 11 to abut against the abutment 22 on the outer casing 21.

Derved blir ytre strengdel 11 liggende forspent mellom fjæren 9 og ansatsen 22, slik at torsjonsmomentet 8 kombinert med aksialkraft 7 må overstige gitt verdi før en relativ vridning mellom ytre -og indre strengdel finner sted og bevirker tilsiktet aksial bevegelse mellom delene. Thereby, the outer string part 11 lies pre-tensioned between the spring 9 and the attachment 22, so that the torsional moment 8 combined with axial force 7 must exceed a given value before a relative twist between the outer and inner string part takes place and causes intentional axial movement between the parts.

Hulrommet som dannes mellom de to strengdelene og mantelen 21 er fylt med olje som holdes på plass mot omgivelsene ved hjelp av pakninger 13 og 14. The cavity formed between the two string parts and the casing 21 is filled with oil which is held in place against the surroundings by means of gaskets 13 and 14.

Volumet 17 og volumet 16 rundt fjæren 9 står i forbindelse med hverandre gjennom The volume 17 and the volume 16 around the spring 9 are connected to each other throughout

trange boringer 18 , slik at det oppstår en tilsiktet dempeeffekt på aksialbevegelsene. narrow bores 18, so that there is a deliberate dampening effect on the axial movements.

Gjennom indre -og ytre strengdel går det en sentral boring 19 for boreslam. A central bore 19 for drilling mud runs through the inner and outer string part.

For å registrere funksjonen til demperen er det anbrakt en sensor 20 som registrerer In order to register the function of the damper, a sensor 20 has been placed which registers

og lagrer data om oljetrykk og fjærkart fra fjæren 9. and stores data on oil pressure and spring map from the spring 9.

Disse dataene kan så avleses når borestrengen trekkes opp. Dataene gir da informasjon om hvordan demperen har virket. This data can then be read when the drill string is pulled up. The data then provides information on how the damper has worked.

Claims

Dynamic damper for use in a drill string 1, preferably of the type used when drilling for oil and gas in sedimentary rocks, and where the damper 2 is designed to maintain uniform torque in the drill string 1 by transforming torsion torque into axial movement of the drill bit 5, characterized in that the damper 2 consists of an outer and inner string part 11 and 12 concentrically stored in relation to each other and connected through spiral threads 10, designed with a pitch angle so that the drill bit 5 is pulled axially up from the bottom of the borehole when the torque reaches a pre-set value. Patent claim 2 Dynamic damper as described in patent claim 1, characterized in that the outer and inner string parts 11 and 12 are positioned axially in relation to each other by means of a spring pack 9 and with an abutment for the inner string part 11 against a stop 22. Patent claim 3 Dynamic damper as described in patent claims 1 and 2, characterized in that between two oil volumes 16 and 17 bores 18 are arranged for hydraulic damping of relative movement between outer and inner string parts 11 and 12. Patent claim 4 Dynamic damper as described in the preceding patent claim, characterized in that a sensor 20 is arranged for recording function data.